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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zur Ansteuerung
eines Einspritzventils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Ein
solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils aus dem Kraftfahrtechnischen
Taschenbuch, 25. Aufl., Friedrich Vieweg & Sohn Verlag, GWV Fachverlage GmbH,
Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3, dort S. 616 und 617 bekannt. Nach
dieser Referenz erfordern die bei der Benzin-Direkteinspritzung
erforderlichen Kraftstoffdrücke spezielle
Hochdruck-Einspritzventile, um den Kraftstoff zu dosieren und zu
zerstäuben.
Das Hochdruck-Einspritzventil
weist unter anderem eine Spule und einen relativ zur Spule beweglichen
Magnetanker auf, der mit einer Düsennadel
verbunden ist. Ein Stromfluss in der Spule erzeugt ein Magnetfeld,
das die Düsennadel
von einem Sitz hebt und einen Einspritzquerschnitt freigibt, über den
Kraftstoff dosiert wird. Beim Abschalten des Spulenstroms wird die Düsennadel
durch eine Federkraft auf ihren Sitz gepresst und unterbricht den
Einspritzvorgang. Bei nach innen öffnenden Nadelventilen unterstützt der Kraftstoffdruck
den Schließvorgang.
Bei der Öffnung wirkt
der Kraftstoffdruck der Öffnungsrichtung
entgegen, so dass die zum Öffnen
des Einspritzquerschnitts benötigte
magnetische Feldstärke
und damit der erforderliche Spulenstrom auch vom Kraftstoffdruck
abhängig
ist.
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Für das Öffnen und
Offenhalten eines innen öffnenden
Hochdruck-Einspritzventils bei einem Benzin-Direkteinspritzsystem
wird beim Stand der Technik ein komplexes erstes Stromprofil verwendet.
Das erste Stromprofil weist eine Boosterphase auf, in der das Hochdruck- Einspritzventil mit
einem Boosterkondensator als erstem Ladungsspeicher verbunden wird.
Der Boosterkondensator ist vor der Verbindung mit der Spule des
Einspritzventils typischerweise auf eine Spannung von 50–90 V aufgeladen
worden und liefert in der Boosterphase einen entsprechend hohen
Boosterstrom, mit dem die Düsennadel
schnell angehoben wird. Bei angehobener Düsennadel reicht ein geringer
Spulenstrom aus, um das Einspritzventil geöffnet zu halten. Der geringere
Spulenstrom wird in der Haltephase durch Verbinden der Spule mit
einem zweiten Ladungsspeicher erzeugt, der eine kleinere Spannung
bereitstellt. Eine Fahrzeugbatterie stellt ein Beispiel für einen
zweiten Ladungsspeicher dar. Eine Steuerung des Haltestroms erfolgt
durch Takten der Verbindung mit dem zweiten Ladungsspeicher.
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Der
höchste
Systemdruck wird bei Benzin-Direkteinspritzsystemen im Normalbetrieb
durch ein Druckbegrenzungsventil nach oben begrenzt. Der durch das
Druckbegrenzungsventil definierte Grenzwert des Kraftstoffdrucks
wird zum Beispiel typischerweise bei einem Start eines heißen Verbrennungsmotors
erreicht. Ein beim Abstellen heißer Verbrennungsmotor führt im Stillstand
zu einer Aufheizung des Kraftstoffs und damit zu einem Anstieg des Kraftstoffdrucks
im Kraftstoffdruckspeicher bis zur Öffnung des Druckbegrenzungsventils.
Dies führt beim
Heißstart
zu einem erhöhten
Strombedarf in der Booster- und Haltephase. Beim Betätigen des
Anlassers sinkt die Bordnetzspannung aufgrund des hohen Strombedarfs
des Anlassers in Verbindung mit dem Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie
ab, was den maximal möglichen
Haltestrom in der Haltephase begrenzt.
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Die
ungünstige
Kombination des hohen Kraftstoffdrucks, gegen den das Einspritzventil
mit erhöhtem
Haltestrombedarf offen gehalten werden muss, mit dem durch die Belastung
der Fahrzeugbatterie herabgesetzten Maximalwert des Haltestroms, kann
dazu führen,
dass der zur Verfügung
stehende Maximalwert den Haltestrombedarf unterschreitet. Dann schließt das Einspritzventil
unter Umständen zu
früh, was
zu einer unzureichenden Kraftstoffzumessung beim Start führen kann.
Als Folge können Zündaussetzer
auftreten. Im Extremfall kann es passieren, dass der Verbrennungsmotor
nicht gestartet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Vor
diesem Hintergrund steht die Aufgabe der Erfindung in der Verbesserung
des Startverhaltens eines Verbrennungsmotors.
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Technische
Lösung
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren und einem Steuergerät der jeweils
eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des jeweils zugehörigen unabhängigen Anspruchs
gelöst.
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Vorteilhafte
Wirkungen
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Durch
den Verzicht auf die Haltephase, also durch den Verzicht auf Beiträge des zweiten
Ladungsspeichers, wird der Strom beim Starten durch den ersten Ladungsspeicher
und damit weitestgehend unabhängig
von der Spannung im Bordnetz bereitgestellt. Bei einer Realisierung
des ersten Ladungsspeichers als Boosterkondensator stellt dieser seinen
Strombeitrag unabhängig
von der Bordnetzspannung bereit, sofern er nur ausreichend aufgeladen
ist. Die Einspritzung erfolgt in diesem Fall durch eine im Vergleich
zu dem ersten Stromprofil längere Boosterphase
des zweiten Stromprofils. Falls die Ladung des Boosterkondensators
nicht zum Einspritzen der für
eine Brennraumfüllung
beim Start erforderlichen Kraftstoffmenge mit einer einzigen, zusammenhängenden
Einspritzung ausreicht, kann der Kraftstoff auch durch mehrfaches
Ansteuern des Einspritzventils mit dem zweiten Stromprofil eingespritzt werden.
In den Pausen zwischen solchen einzelnen Teileinspritzungen kann
der Boosterkondensator durch eine Ladeschaltung erneut aufgeladen
werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
jeweils nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen
Verbrennungsmotor als technisches Umfeld der Erfindung;
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2 ein
Schaltbild einer Ausgestaltung einer Endstufe eines Steuergerätes zusammen
mit einer Fahrzeugbatterie und einem Einspritzventil aus der 1.
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Ausführungsformen) der Erfindung
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1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Brennraum 12,
in den Kraftstoff mit einem Einspritzventil 14 eingespritzt
wird. Das Einspritzventil 14 ist hydraulisch mit einem
Kraftstoffdruckspeicher 16 verbunden und wird von einem
Steuergerät 18 mit einem
Steuerstrom I betätigt.
Bei ausreichend großem
Steuerstrom I öffnet
das Einspritzventil 14 einen Einspritzquerschnitt, über den
Kraftstoff auf dem Kraftstoffdruckspeicher 16 in den Brennraum 12 eingespritzt
wird. Für
die Erzeugung des Steuerstroms I verarbeitet das Steuergerät 18 Signale
verschiedener Sensoren, von denen in der 1 ein Temperatursensor 20,
ein Kraftstoffdrucksensor 22 und ein Drehzahlsensor 24 dargestellt
sind. Der Temperatursensor 20 erfasst eine Temperatur T
des Verbrennungsmotors 10, beispielsweise die Temperatur
eines Kühlmittels.
Der Kraftstoffdrucksensor 22 erfasst den Kraftstoffdruck
p im Kraftstoffdruckspeicher 16 und der Drehzahlsensor 24 erfasst
eine Drehzahl n einer Kurbelwelle oder einer anderen Welle des Verbrennungsmotors 10.
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Der
Verbrennungsmotor 10 besitzt einen Anlasser oder Starter 26,
der elektrisch angetrieben wird. Dabei wird die elektrische Energie
einer Fahrzeugbatterie 28 entnommen, die eine Bordnetzspannung
auch bei abgestelltem Verbrennungsmotor 10 und damit stillstehendem
Generator des Verbrennungsmotors 10 aufrechterhält. Der
Starter 26 wird von einem Zündschloss 30 eingeschaltet,
das dazu einen Anlassschalter 32 schließt. Die Fahrzeugbatterie 28 versorgt
auch das Steuergerät 18 und
die darin untergebrachten Endstufen mit elektrischer Energie.
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2 verdeutlicht
die Bildung des Steuerstroms I innerhalb des Steuergeräts 18.
Das Steuergerät 18 weist
in der Ausgestaltung der 2 eine Endstufe 34 mit
einem Boosterkondensator 36, einem High-Side-Schalter 38,
einem Low-Side-Schalter 40, einem Boosterschalter 42,
einer ersten Diode 44, einer zweiten Diode 46 und
einer Ladeschaltung 48 auf, die eine dritte Diode 50,
eine Ladeinduktivität 52 und
einen Ladeschalter 54 aufweist. Der Boosterkondensator 36 stellt
eine Ausgestaltung eines ersten Ladungsspeichers dar. Der erste
Ladungsspeicher wird daher im Folgenden ebenfalls mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet.
Die Endstufe 34 ist in der dargestellten Weise an die Fahrzeugbatterie 28 angeschlossen,
die eine Ausgestaltung eines zweiten Ladungsspeichers repräsentiert.
Der zweite Ladungsspeicher wird daher im Folgenden ebenfalls mit
dem Bezugszeichen 28 bezeichnet. Das Einspritzventil 14 wird
in der 2 vereinfacht als Induktivität dargestellt.
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Die
Endstufe 34 wird von dem Block 56 gesteuert, der
die übrigen
Steuergerätefunktionen,
wie Signalaufbereitung und Signalverarbeitung repräsentiert.
Dabei erfolgt die Steuerung der Endstufe 34 und damit die
Formung des Steuerstroms I durch koordinierte Ansteuerung der Schalter 38, 40, 42 und 54.
In einer bevorzugten Ausgestaltung verarbeitet der Block 56 dabei
insbesondere wenigstens eines der Signale p, D, n aus der 1.
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Im
Folgenden wird kurz erläutert,
wie der Block 56 im Zusammenwirken mit der Endstufe 34 ein
Stromprofil mit einer Boosterphase und/oder einer Haltephase erzeugt.
Bei geschlossenen Schaltern 38 und 40 fließt ein Strom
durch die Induktivität 14 zur
Masse des zweiten Ladungsspeichers 28, wobei der Stromfluss
durch die Induktivität 14 ein
Magnetfeld erzeugt. Ein Öffnen
des Low-Side-Schalters 40 unterbricht den Stromfluss. Dadurch
bricht das Magnetfeld zusammen, was in der Induktivität 14 einen
Strom induziert, der über
die Diode 46 den Boosterkondensator 36 auflädt. Der
Boosterkondensator 36 wird ferner dann aufgeladen, wenn
der Schalter 54 geöffnet
wird, um einen Stromfluss durch die Ladeinduktivität 52 und über den
Schalter 54 zur Masse der Fahrzeugbatterie 28 zu
unterbrechen. In diesem Fall lädt
der durch die Magnetfeldänderung
in der Ladeinduktivität 52 erzeugte
Strom den Boosterkondensator 36 über die Diode 50 auf.
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Da
beim Zusammenbrechen der Magnetfelder in der Induktivität 14 oder
der Ladeinduktivität 52 Spannungsspitzen
auftreten, die größer als
die von der Fahrzeugbatterie 28 bereitgestellte Bordnetzspannung
sind, kann der Boosterkondensator 36 auf Spannungen aufgeladen
werden, die wesentlich größer als
die Bordnetzspannung sind. Wie eingangs erwähnt, liegen typische Spannungen
eines aufgeladenen Boosterkondensators 36 in der beschriebenen Anwendung
zwischen 50 und 90 Volt bei einer Bordnetzspannung von typischerweise
12 Volt.
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Wird
der geladene Boosterkondensator 36 bei geschlossenen Schaltern 42 und 40 über die
Diode 44, die Induktivität 14 und den Schalter 40 entladen,
fließt
ein entsprechend großer
Entladestrom I, der eine hohe Magnetfeldstärke und eine hohe Einspritzventilöffnungskraft
erzeugt. Die Stellung des Schalters 38 ist dabei nicht
wesentlich. Aufgrund der hohen Spannung des Boosterkondensators 36 wird der
Strom I durch die Einspritzventil-Induktivität 14 in dieser Boosterphase
durch den Beitrag des Boosterkondensators 36 als erstem
Ladungsspeicher dominiert. Der Schalter 38 kann also offen
oder geschlossen sein.
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Um
eine Haltephase zu realisieren, wird beim Stand der Technik der
Boosterkondensator 36 durch Öffnen des Schalters 42 von
der Induktivität 14 getrennt
und der Schalter 38 wird bei geschlossenem Schalter 40 geschlossen.
In diesem Fall fließt
ein geringerer Haltestrom I über
den Schalter 38, die Induktivität 14 und den Schalter 40,
wobei der Strom I von der Spannung der Fahrzeugbatterie 28 als
zweitem Ladungsspeicher getrieben wird. Wenn der resultierende Strom
I größer ist
als für
das Offenhalten des Einspritzventils 14 erforderlich ist,
kann der zeitliche Mittelwert der Stromstärke des Stroms I durch getaktetes Öffnen und
Schließen
des Low-Side-Schalters 40 reduziert werden. Das hat den
zusätzlichen
Vorteil, dass der Boosterkondensator 36 bei offenem Schalter 40 jeweils über die
Diode 46 nachgeladen wird.
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Im
Ergebnis ergibt sich dann ein erstes Stromprofil 58, wie
es in der 3 in qualitativer Form als Verlauf
des Stroms I über
der Zeit t dargestellt ist. Dabei entspricht der Zeitabschnitt 60 einer Boosterphase,
und der Zeitabschnitt 62 entspricht einer Haltephase. Dieses
erste Stromprofil 58 entspricht dem aus dem Stand der Technik
bekannten Stromprofil. Eine solche Haltephase zeichnet sich dadurch
aus, dass der Strom durch die Induktivität 14 während dieser
Haltephase durch den zweiten Ladungsspeicher 28, in der
Ausgestaltung der 2 also durch die Fahrzeugbatterie 28,
ohne Beiträge des
ersten Ladungsspeichers 36, das heißt des Boosterkondensators 36,
geliefert wird.
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4 zeigt
dagegen eine Ausgestaltung 64 eines zweiten Stromprofils,
wie es bei einer Ausgestaltung der Erfindung erzeugt wird. Die Ausgestaltung 64 eines
zweiten Stromprofils unterscheidet sich vom ersten Stromprofil 58 dadurch,
dass das zweite Stromprofil 64 keine Haltephase 62 aufweist,
in der ein Strom aus der Fahrzeugbatterie als zweitem Ladungsspeicher
ohne Beiträge
des ersten Ladungsspeichers geliefert wird. Stattdessen weist das
zweite Stromprofil 64 eine längere Boosterphase 66 auf,
wobei die Verlängerung
durch eine Aneinanderreihung einzelner Boosterphasen 60.1, 60.2, 60.3 erzeugt wird.
Bei der Ausgestaltung 64 eines zweiten Stromprofils sind
vier Lade- und Entladephasen des Boosterkondensators 36 aneinander
gereiht worden. Dabei erfolgt die Aneinanderreihung so, dass der
Boosterschalter 42 beim Erreichen einer oberen Stromstärke I_o
geöffnet
und beim Erreichen einer unteren Stromstärke I_u oder nach Erreichen
einer Pausezeit 61.1, 61.2, 61.3 geschlossen
wird. Dabei ist der Wert der unteren Stromstärke I_u oder der Pausezeit 61.1, 61.2, 61.3 so
vorbestimmt, dass die dabei erzeugte Magnetkraft zum Offenhalten
des Einspritzventils 14 ausreicht.
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Der
Low-Side-Schalter 40 wird synchron mit dem Boosterschalter 42 geöffnet und
geschlossen. Bei geöffnetem
Boosterschalter 42 und geöffnetem Low-Side-Schalter 40 wird
der Boosterkondensator als erster Ladungsspeicher 36 über die
Diode 46 geladen, wobei die elektrische Energie aus dem
zusammenbrechenden Magnetfeld der Einspritzventil-Induktivität 14 stammt.
Zur Ergänzung
ohmscher Verluste kann der Boosterkondensator 36 zeitlich
parallel durch die Ladeschaltung 48 geladen werden. Im Vergleich
mit dem ersten Stromprofil 58 aus der 3 zeichnet
sich das Stromprofil 64 der 4 durch
das Fehlen einer Haltephase aus, in der der Strom I von der Spannung
der Fahrzeugbatterie als zweitem Ladungsspeicher 28 abhängig ist.
Stattdessen ist das zweite Stromprofil 64 der 4 von
der Bordnetzspannung und der Spannung der Fahrzeugbatterie 28 unabhängig.
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Falls
die längere
Boosterphase 66 des zweiten Stromprofils 64 nicht
ausreicht, um die erforderliche Kraftstoffmenge abzusetzen, können mehrere zweite
Stromprofile 64, 68, ... und damit mehrere Einspritzungen
für eine
Brennraumfüllung
gesteuert werden, bis die erforderliche Kraftstoffmenge erreicht ist.
Da der Strom in der Boosterphase 66 unabhängig von
der Batteriespannung ist, kommt die unerwünschte Abmagerung der Brennraumfüllung beim Heißstart nicht
vor. Im Normalbetrieb bei laufendem Motor ist der Einsatz von mehrfachen
Boostpulsen der Boosterphasen 60.1, 60.2, ...
für einzelnen
Einspritzungen dadurch beschränkt,
dass die zur Nachladung des Boosterkondensators 36 erforderliche Zeit
bei höheren
Drehzahlen nicht mehr zur Verfügung
steht, weil der Abstand der Einspritzungen für verschiedene Brennraumfüllungen
mit steigender Drehzahl abnimmt. Aufgrund der geringen Drehzahlen
beim Start spielt diese Begrenzung bei der Erfindung jedoch keine
Rolle.
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Nach
dem Ende des Starts, das vom Steuergerät 18 zum Beispiel
durch Auswerten des Drehzahlsignals n erkannt wird, wenn n einen
Schwellenwert überschreitet,
wird von dem zweiten Stromprofil 64 wieder auf das bekannte
erste Stromprofil 58 umgesteuert. Dieser Schwellenwert
wird auch als Startende-Drehzahl bezeichnet und liegt bei einigen
hundert min-1.
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Entsprechend
kann alternativ oder ergänzend
die Batteriespannung oder Bordnetzspannung ausgewertet werden und
beim Ansteigen der Batteriespannung oder Bordnetzspannung nach dem
Ausschalten des Anlassers/Starters 26 vom zweiten Stromprofil 64 auf
das erste Stromprofil 58 umgesteuert werden. Weiter alternativ
oder ergänzend kann
die Umsteuerung vom zweiten Stromprofil 64 auf das erste
Stromprofil 58 dann erfolgen, wenn der Einspritzdruck p
beim Start einer Druckschwellenwert unterschreitet, nachdem er durch
die ersten Einspritzungen verringert worden ist.